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1、11条MIPS指令单周期CPU设计2018元月份，我按照袁春风老师的第三版教材，又重新设计了11条MIPS指令的单周期CPU这次的设计与我2017年7月份的单周期CPU还是有些区别。2017年7月份设计的CPU主要是参考计算机组成与设计-硬件/软件接口DavidA.Patterson。设计中的几点体会如下：一.基本流程1 .首先要分析清楚这11条指令的格式和特点。按照MIPS指令的格式和特点，完全掌握它们的功能和执行的过程。2 .这些指令执行过程中需要哪些硬件部件和控制信号，这些部件如何连接构成数据通路。3 .对所有需要的控制信号进行归纳分析，列出真值表，设计相应的控制电路。二.具体设计过程1
2、.ALU的设计。ALU的设计重点在于先设计出32位的加法器，减法运算是利用加法的“变反加一”。同时要产生各种运算结果的信号：溢出（OF）、进位（CF）、符号位（SF）、零符号位（Zero）。OF=CCn-1；CF=CutCn。至于需要其它的运算指令，如逻辑运算、移位运算、乘除法运算，都可以直接调用logisim库中的器件，添加到ALU中，这些运算的结果可以同时产生，只是最后用多路选择器来选择那种指令的结果输出，用的控制信号是OPctr。在ALU中需要设计一个控制信号生成部件，用于产生ALU内部需要的各种控制信号。见袁春风老师教材P155（第一次实验：ALU部件的设计）（ALU设计中，现在的加法
3、器只是串行的，可以让好的学生用先行进位加法器）图1:ALU电路图kODOtlMDpiOQadDOnDoaa0CC7rfMMtEg口kmiMilm并胃itbQiriiiiRlKrultjicliliofK.kddEH电u&lapaceD-a.seaddressZ-scMGOiMKi二.ktexlbaseaddressuserspace：highaddressgZTrlOCCiSfrc二.gE口cn口l&MtninMiladdrags白白meaOdreea.XWSF“qmuntiimvr同finr帝力!i:丽*pointsr$ntucMben#aodr:m3gggosUitiKlirniitndd
4、i-bi:*woosxojrMGC1300勃小口b毒隼附，ddr=sglob4lpoiniiiZbcMGClOOO.j&xterribaseaddresaZbeMccaooaZccMGCOMfldata：segmentEiaesddlrea；.dlatabaseaddreHAppilfCanceh|Re-et：*.CompactiDataatAddressCCompact,TextsirAddress5.程序汇编后可以利用File菜单中的DumpMemory功能将代码段和数据段导出，采用十六进制文本的方式导出到某个文本文件，然后在文件第行加入“v2.0raw”即可在logisim中加载到ROM
5、ERAMDumpMemoryToHieMemorySegment.text(0x00003000-OxOOOC3D3cJHeicadecimalTextDumpFormatfance-lDumpToFile.6.将test_11文件加载到指令存储器，在数据存储器第1、2号单元中输入指定的数据，执行测试程序，再查看运行结果，验证程序运行是否正确。Add、sub是加减指令，判断溢出，如有溢出，则不保存运算结果；Subu是减法指令，但不判断溢出；Slt是有符号数比较大小、sltu是无符号数比较大小。具体见教材P155,表5.2用于测试的数据表如表1可以用test_11程序和表1中的数据来验证学生设计
6、的CPU是否能正确运说明：对于测试2中的测试数据（对两个都是负数的测试数据）令的结果与分析的实际结果不同。行。（只需要在数据存储器中的1掰口2#单元输入测试数据，在第3#-7#号单元中查看运算结果是否正确）存储器地址据_1#2#3#4#5#6#7#输入数据S1输入数据S2addsubsubusltsltu测t1000000028000000580000007800000038000000310测t2800000028000000500000000000000030000000300测t38000000500000002800000077ffffffd7ffffffd01测t4000000020
7、000000500000007000000030000000300测t50000000500000005相等数据，测试Beg指令正确表1:test_11程序测试表slt指两次CPU设计之间的差别主要差别有下列几点：1 .ALU的实现（alu-11）。2017版是参考华科的实验。可实现的算术运算、逻辑运算、移位等指令条数较多。加减溢出判断是自己采用真值表来实现的。2018版是按照袁老师P155实现的。第一个实验（11条指令的ALU设计）就准备让学生这样实现。2 .取指令部件的实现（fetch_IR）。2017版中有BEQ旨令，但没有实现JUMP指令。2018版都实现了。实现的思想是基于袁老师的P
8、161图5.20,但具体细节有修改。把PC30位改为了32位，原因是所用的存储器字长为32位（4字节），一条MIPS指令就只占用一个存储单元，所以每次PC地址直接加“1”即可，无需再去掉低两位。a）JUMP跳转指令的高位就是PC,而不是PC31:2833 .控制器采用了主、辅控制器分开实现。主控制器（OP_ctr）利用P166表5.4和表5.5来实现的，直接用真值表生成电路。但多增加了Rtype信号。辅助控制电路（func_ctr）用来产生R型指令的ALUctr信号。4 .位扩展部件（16-32extend）,增加了ExtOp控制端，用于零扩展或者符号扩展控制。5 .数据存储器是采用系统提供的器件。Str引脚连接存储器写信号，ld引脚连接存储器读信号。6 .编写测试程序（test_11.asm）,含所有11条指令，测试通过。
